Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media: Effects of turbulent mixing

We consider diffusion of a passive substance C in a phase-separating nonmiscible binary alloy under turbulent mixing. The substance is assumed to have different diffusion coefficients in the pure phases A and B, leading to a spatially and temporarily dependent diffusion ¿coefficient¿ in the diffusion equation plus convective term. In this paper we consider especially the effects of a turbulent flow field coupled to both the Cahn-Hilliard type evolution equation of the medium and the diffusion equation (both, therefore, supplemented by a convective term). It is shown that the formerly observed prolonged anomalous diffusion [H. Lehr, F. Sagués, and J.M. Sancho, Phys. Rev. E 54, 5028 (1996)] is no longer seen if a flow of sufficient intensity is supplied.

Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media

In this paper we consider diffusion of a passive substance C in a temporarily and spatially inhomogeneous two-dimensional medium. As a realization for the latter we choose a phase-separating medium consisting of two substances A and B, whose dynamics is determined by the Cahn-Hilliard equation. Assuming different diffusion coefficients of C in A and B, we find that the variance of the distribution function of the said substance grows less than linearly in time. We derive a simple identity for the variance using a probabilistic ansatz and are then able to identify the interface between A and B as the main cause for this nonlinear dependence. We argue that, finally, for very large times the here temporarily dependent diffusion "constant" goes like t-1/3 to a constant asymptotic value D¿. The latter is calculated approximately by employing the effective-medium approximation and by fitting the simulation data to the said time dependence.

Growth of unstable interfaces in disordered media

The effects of a disordered medium in the growth of unstable interfaces are studied by means of two local models with multiplicative and additive quenched disorder, respectively. For short times and large pushing the multiplicative quenched disorder is equivalent to a time-dependent noise. In this regime, the linear dispersion relation contains a destabilizing contribution introduced by the noise. For long times, the interface always gets pinned. We model the systematics of the pinned shapes by means of an effective nonlinear model. These results show good agreement with numerical simulations. For the additive noise we find numerically that a depinning transition occurs.

LEVERAGING SANDBOX IMMERSIVE 3D VIRTUAL WORLDS TO DEVELOP DO-IT- YOURSELF TEACHING GAMES: IMPLEMENTATION TO MARKETING CASE STUDY TEACHING IN SECOND LIFE

Games are powerful and engaging. On average, one billion people spend at least 1 hour a day playing computer and videogames. This is even more true with the younger generations. Our students have become the < digital natives >, the < gamers >, the < virtual generation >. Research shows that those who are most at risk for failure in the traditional classroom setting, also spend more time than their counterparts, using video games. They might strive, given a different learning environment. Educators have the responsibility to align their teaching style to these younger generation learning styles. However, many academics resist the use of computer-assisted learning that has been "created elsewhere". This can be extrapolated to game-based teaching: even if educational games were more widely authored, their adoption would still be limited to the educators who feel a match between the authored games and their own beliefs and practices. Consequently, game-based teaching would be much more widespread if teachers could develop their own games, or at least customize them. Yet, the development and customization of teaching games are complex and costly. This research uses a design science methodology, leveraging gamification techniques, active and cooperative learning theories, as well as immersive sandbox 3D virtual worlds, to develop a method which allows management instructors to transform any off-the-shelf case study into an engaging collaborative gamified experience. This method is applied to marketing case studies, and uses the sandbox virtual world of Second Life. -- Les jeux sont puissants et motivants, En moyenne, un milliard de personnes passent au moins 1 heure par jour jouer à des jeux vidéo sur ordinateur. Ceci se vérifie encore plus avec les jeunes générations, Nos étudiants sont nés à l'ère du numérique, certains les appellent des < gamers >, d'autres la < génération virtuelle >. Les études montrent que les élèves qui se trouvent en échec scolaire dans les salles de classes traditionnelles, passent aussi plus de temps que leurs homologues à jouer à des jeux vidéo. lls pourraient potentiellement briller, si on leur proposait un autre environnement d'apprentissage. Les enseignants ont la responsabilité d'adapter leur style d'enseignement aux styles d'apprentissage de ces jeunes générations. Toutefois, de nombreux professeurs résistent lorsqu'il s'agit d'utiliser des contenus d'apprentissage assisté par ordinateur, développés par d'autres. Ceci peut être extrapolé à l'enseignement par les jeux : même si un plus grand nombre de jeux éducatifs était créé, leur adoption se limiterait tout de même aux éducateurs qui perçoivent une bonne adéquation entre ces jeux et leurs propres convictions et pratiques. Par conséquent, I'enseignement par les jeux serait bien plus répandu si les enseignants pouvaient développer leurs propres jeux, ou au moins les customiser. Mais le développement de jeux pédagogiques est complexe et coûteux. Cette recherche utilise une méthodologie Design Science pour développer, en s'appuyant sur des techniques de ludification, sur les théories de pédagogie active et d'apprentissage coopératif, ainsi que sur les mondes virtuels immersifs < bac à sable > en 3D, une méthode qui permet aux enseignants et formateurs de management, de transformer n'importe quelle étude de cas, provenant par exemple d'une centrale de cas, en une expérience ludique, collaborative et motivante. Cette méthode est appliquée aux études de cas Marketing dans le monde virtuel de Second Life.

Front propagation in spatially modulated media

A two-dimensional reaction-diffusion front which propagates in a modulated medium is studied. The modulation consists of a spatial variation of the local front velocity in the transverse direction to that of the front propagation. We study analytically and numerically the final steady-state velocity and shape of the front, resulting from a nontrivial interplay between the local curvature effects and the global competition process between different maxima of the control parameter. The transient dynamics of the process is also studied numerically and analytically by means of singular perturbation techniques.

Wave competition in excitable modulated media.

The propagation of an initially planar front is studied within the framework of the photosensitive Belousov-Zhabotinsky reaction modulated by a smooth spatial variation of the local front velocity in the direction perpendicular to front propagation. Under this modulation, the wave front develops several fingers corresponding to the local maxima of the modulation function. After a transient, the wave front achieves a stationary shape that does not necessarily coincide with the one externally imposed by the modulation. Theoretical predictions for the selection criteria of fingers and steady-state velocity are experimentally validated.

Noise-enhanced excitability in bistable activator-inhibitor media

We show that external fluctuations induce excitable behavior in a bistable spatially extended system with activator-inhibitor dynamics of the FitzHugh-Nagumo type. This can be understood as a mechanism for sustained signal propagation in bistable media. The phase diagram of the stochastic system is analytically obtained and numerically verified. For small-noise intensities, front propagation becomes unstable, and excitable pulses arise as the only possible spatiotemporal behavior of the system. For large-noise intensities, on the other hand, the system enters an effective regime of oscillatory behavior, where it exhibits spontaneous nucleation of pulses and synchronized firing.

Percolation thresholds in chemical disordered excitable media

The behavior of chemical waves advancing through a disordered excitable medium is investigated in terms of percolation theory and autowave properties in the framework of the light-sensitive Belousov-Zhabotinsky reaction. By controlling the number of sites with a given illumination, different percolation thresholds for propagation are observed, which depend on the relative wave transmittances of the two-state medium considered.

Front dynamics in turbulent media

A study of a stable front propagating in a turbulent medium is presented. The front is generated through a reaction-diffusion equation, and the turbulent medium is statistically modeled using a Langevin equation. Numerical simulations indicate the presence of two different dynamical regimes. These regimes appear when the turbulent flow either wrinkles a still rather sharp propagating interfase or broadens it. Specific dependences of the propagating velocities on stirring intensities appropriate to each case are found and fitted when possible according to theoretically predicted laws. Different turbulent spectra are considered.

Physicochemical and biological characterization of single-walled and double-walled carbon nanotubes in biological media

To study the toxicity of nanoparticles under relevant conditions, it is important to reproducibly disperse nanoparticles in biological media in in vitro and in vivo studies. Here, single-walled nanotubes (SWNTs) and double-walled nanotubes (DWNTs) were physicochemically and biologically characterized when dispersed in phosphate-buffered saline (PBS) and bovine serum albumin (BSA). BSA-SWNT/DWNT interaction resulted in a reduction of aggregation and an increase in particle stabilization. Based on the protein sequence coverage and protein binding results, DWNTs exhibited higher protein binding than SWNTs. SWNT and DWNT suspensions in the presence of BSA increased interleukin-6 (IL-6) levels and reduced tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) levels in A549 cells as compared to corresponding samples in the absence of BSA. We next determined the effects of SWNTs and DWNTs on pulmonary protein modification using bronchoalveolar lavage fluid (BALF) as a surrogate collected form BALB/c mice. The BALF proteins bound to SWNTs (13 proteins) and DWNTs (11 proteins), suggesting that these proteins were associated with blood coagulation pathways. Lastly, we demonstrated the importance of physicochemical and biological alterations of SWNTs and DWNTs when dispersed in biological media, since protein binding may result in the misinterpretation of in vitro results and the activation of protein-regulated biological responses.

Angiofil-mediated visualization of the vascular system by microcomputed tomography: a feasibility study.

Visualization of the vascular systems of organs or of small animals is important for an assessment of basic physiological conditions, especially in studies that involve genetically manipulated mice. For a detailed morphological analysis of the vascular tree, it is necessary to demonstrate the system in its entirety. In this study, we present a new lipophilic contrast agent, Angiofil, for performing postmortem microangiography by using microcomputed tomography. The new contrast agent was tested in 10 wild-type mice. Imaging of the vascular system revealed vessels down to the caliber of capillaries, and the digital three-dimensional data obtained from the scans allowed for virtual cutting, amplification, and scaling without destroying the sample. By use of computer software, parameters such as vessel length and caliber could be quantified and remapped by color coding onto the surface of the vascular system. The liquid Angiofil is easy to handle and highly radio-opaque. Because of its lipophilic abilities, it is retained intravascularly, hence it facilitates virtual vessel segmentation, and yields an enduring signal which is advantageous during repetitive investigations, or if samples need to be transported from the site of preparation to the place of actual analysis, respectively. These characteristics make Angiofil a promising novel contrast agent; when combined with microcomputed tomography, it has the potential to turn into a powerful method for rapid vascular phenotyping.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Media, investors and bubbles

We analysed the specific case of how information in the financial press influences economic bubbles. We found considerable flaws in the information market due to several factors: demand, the predominance of what are termed “irrational investors” (herding), and supply, which has the problem that the sources of information are biasedand feeds. A financial bubble is a deviation between real value of a financial asset and its persistent market price in time, which also has a speculative origin fed back by the illusion of the owners of these financial values, who will take benefits because of the future prices, which must be higher than the previous ones. The economical information in the media is submitting three problems. First of all, it is information generated by companies. In second place, the information circuit is fed back. A problem of informative independence becomes created, particularly serious in the case of the banks, which are very were as creditors. And in a third place, some informative biases are manifested for the companies of regulated sectors which are starring the economical information in the media.